复合材料研究进展讲述

1、铝基复合材料的制备和增强技术的研究进展 摘要 本文简单介绍了铝基复合材料的一些基本的制备方 法。对于纳米相和碳化硅颗粒增强的铝基复合材料，它们也 有不同的制备方法。 关键词 铝基复合材料 纳米相 碳化硅颗粒 0 前言 复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的 材料，它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而 成。金属基复合材料基体主要是铝、镍、镁、钛等。铝在制作复合材 料上有许多特点 ,如质量轻、密度小、可塑性好 ,铝基复合技术容易掌 握 ,易于加工等。此外 ,铝基复合材料比强度和比刚度高 ,高温性能好 , 更耐疲劳和更耐磨。同其他复合材料一样 ,它能组合特定的力学和

2、物 理性能 ,以满足产品的需要。因此 ,铝基复合材料已成为金属基复合材 料中最常用的、 最重要的材料之一。 本文主要讲述铝基复合材料的制 备方法以及增强技术的发展情况。 1 铝基复合材料的制备工艺 1.1 无压浸渗法 无压浸渗法是 Aghaianian 等于 1989 年在直接金属氧化工艺的 基础上发展而来的一种制备复合材料的新工艺 1，将基体合金放在可 控气氛的加热炉中加热到基体合金液相线以上温度， 在不加压力和没 有助渗剂的参与下， 液态铝或其合金借自身的重力作用自动浸渗到颗 粒层或预制块中，最终形成所需的复合材料。 Aghajanian 等2 撰文指出， 要使自发渗透得以进行，需具备两

3、个必要条件：铝合金中一定含有 Mg 元素；气氛为 N2 环境。影 响该工艺的主要因素为：浸渗温度、颗粒大小和环境气氛种类。无压 渗透工艺的本质是实现自润湿作用， 通过适当控制工艺条件， 如合金 成分、温度、保温时间和助渗剂等，可取得良好的润湿， 使自发浸 渗得以进行。 1.2 粉末真空包套热挤压法 采用快速凝固技术与粉末冶金技术相结合制备高硅含量铝基复 合材料。由于 Al 活性很高，在快速凝固制粉时不可避免地会形成一 层氧化膜， 导致在致密化过程中合金元素的相互扩散受到阻碍， 难以 形成冶金粘结。 因此，采用了粉末真空包套热挤压这一特殊的致密化 工艺3。 1.3 喷射沉积法 喷射沉积技术是一种

4、新的金属成形工艺，由 Singer 教授于 1968 年提出，后经发展逐步形成了 Osprey 工艺、液体动态压实技术和受 控喷射沉积工艺等。 喷射沉积的基本原理是： 熔融金属或合金经导流管流出， 被雾化 喷嘴出口的高速高压惰性气体气流破碎，雾化为细小弥散的熔滴射 流；雾化熔滴射流在高速气流动量作用下加速， 并与气流进行强烈的 热交换； 到达沉积表面以前， 小于某一临界尺寸的熔滴凝固成为固体 颗粒，较大尺寸的仍然为液态， 而中间尺寸的熔滴则为含有一定比例 液相的半凝固颗粒， 这些大大小小凝固程度不同的熔滴高速撞击接 收体表面，并在沉积表面附着、铺展、堆积、熔合形成一个薄的半液 态层后顺序凝固结

5、晶， 逐步沉积生长成为一个大块致密的沉积坯 4 。 液态金属在喷雾沉积过程中的冷却分为 3 个阶段：金属液雾化过 程中的冷却； 雾化后液滴在冷却介质中飞行时的冷却； 半固态的液滴 沉积到基底上以后的冷却。 在喷射沉积过程中， 增加雾化气体压力也 可以细化喷雾沉积材料的组织，由于雾化气体同时又作为冷却介质， 增大雾化气体压力相应地增加了冷却介质的流率及其传热能力， 这 两方面的结果势必会造成金属液在雾化及其飞行中的冷速增大， 从而 细化组织 5。 由于喷射沉积所制备的铸锭存在一定的空隙度， 给材料性能带来 了不利影响，必须经过后续加工工艺，如热锻、热挤压、热等静压等 方法来提高其致密度。 2 铝

6、基复合材料的增强技术 采用不同的增强体制备复合材料时，制备的工艺方法有所不同， 接下来简单介绍不同增强体铝基复合材料的制备方法。 2.1 纳米相增强铝基复合材料制备技术 由于纳米相增强铝基复合材料的制备方法和工艺过程的不同对 其结构、性能和应用具有重要的影响，所以，纳米相增强铝基复合材 料的制备方法探索在铝基纳米复合材料科学研究中占有举足轻重的 地位。 2.1.1 原位反应合成法 原位反应合成法制备纳米相增强铝基复合材料的基本原理是通 过元素间或化合物间的化学反应， 在铝基体内原位生成一种或几种高 硬度、高弹性模量的陶瓷材料增强相， 从而达到增强铝基体的目的 6 。 首先，由于原位反应合成技术

7、基本上能克服其它工艺通常出现的一系 列问题，如克服基体与增强体浸润不良，界面反应产生脆性层，增强 相分布不均匀，特别是纳米级增强相极难进行复合问题等；其次，在 基体中反应生成的增强相热力学稳定，具有优良的力学性能。 董晟全和郭永春 7等利用原位反应合成法制备出纳米 AlN 颗粒增 强铝基复合材料。 由于原位增强体纳米颗粒 AlN 的产生，复合材料与 基体相比，其拉伸强度和伸长率都有所提高，室温强度由 250 MPa增 至 280 MPa，伸长率也提高了 1 81。 2.1.2 快速凝固工艺 快速凝固 (RS，Rapid Solidification)8 对晶粒细化有着显著的 效果，利用 RS

8、工艺可以获得与传统材料性能迥异的新型材料。仝兴 存9等将 Rs 工艺与热挤压成型技术相结合，成功地制备出TiC A1 原位复合材料，与常规熔铸工艺相比， 其室温拉伸强度增加了 100 MPa 左右，并表现出良好的高温力学性能。 2.1.3 大塑性变形法 大塑性变形法 (SPD，Severe plastic defornlation) 10 是近年来 逐步发展起来的一种独特的纳米粒子铝及铝合金材料制备工艺。 它是 指铝及铝合金材料处于较低的温度 ( 通常低于 04Tm)环境中，在大 的外部压力作用下发生严重塑性变形， 从而将材料的晶粒尺寸细化到 纳米量级。 Alexandmv 等11 利用 SP

9、TS压实微米级的铝和纳米级的陶瓷混合 粉末制备出相对密度大于 98的 Al-5 Al 2O3的高强度、高热稳定性 的纳米相增强铝基复合材料， 力学性能测试结果表明， 在 Al-5 Al 2O3 复合材料样品中发现了超塑性现象 (400、塑性应变率为 10-4s-1 的拉 伸实验显示，样品失效前的延伸率几乎高达 200，塑性应变率灵敏 度为 0.35) 。 2.1.4 高能球磨法 高能球磨法 (high energy ball milling)12 是利用球磨机的高速 转动或振动，使研磨介质对增强体进行强烈的撞击、研磨和搅拌，将 其粉碎为纳米级微粒的方法。 K DWoo与 D LZhang13合

10、作采用高能球磨法成功得到纳米 SiC颗粒增强 A1-7Si-0.4 Mg(质量分数 )复合材料。由于高能球磨 过程中提高了混合粉末的扩散速率， 引起烧结过程中粉末的烧结率也 加快了，烧结后的显微结构表明： 其颗粒尺寸与用混合粉末直接烧结 的颗粒相比明显变小，同时烧结体的硬度也大大提高了。 CGoujon 与 PGoeuriot 14 在低温条件下采用球磨 +热压的方法制取了纳米陶 瓷颗粒分布均匀且力学性能优良的铝基复合材料， 所得到的纳米颗粒 尺寸均匀、显微结构稳定。 2.1.5 溅射法 溅射 (sputtering) 法15是采用高能粒子撞击靶材的表面， 与靶材 表面的原子或分子交换能量或动

11、量， 使得靶材表面的原子或分子从靶 材表面飞出后沉积到铝基片上形成纳米相增强铝基复合材料。 等离子溅射法 16是一种改进的溅射法， 它利用等离子区的高温将 增强相熔融，再把熔融的增强相快速引向旋转的铝基体并在铝基体上 沉积、冷却，最后得到纳米相增强铝基复合材料。 TLaha与 AAgarual 16等利用等离子溅射法在铝基上成功溅射 了碳纳米管并对这种复合材料进行了研究分析。 研究结果表明： 碳纳 米管紧密黏附在铝基体中； 在高温溅射过程中， 碳纳米管性能十分稳 定，没有生成氧化物；铝基复合材料的硬度有了显著提高。 2.1.6 溶胶- 凝胶法 溶胶-凝胶(sol-Gel) 法17是20世纪 6

12、0年代发展起来的一种制备 玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺， 近年来许多人用此法制备纳米微粒 来增强铝基复合材料。其基本原理是：将醇盐或无机盐经水解，然后 使溶质聚合凝胶化，再经凝胶干燥、煅烧，最后得到纳米微粒，sol-Gel 法的优点是： 化学均匀性好， 由于溶胶-凝胶过程中 ,溶胶由溶液制 得，故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致。 纯度高 , 粉体（ 特别是多 组分粉体 ） 制备过程中无须机械混合。 颗粒细， 缺点是原料价格高、 有机溶剂的毒性以及在高温下作热处理时会使颗粒快速团聚等 18-19 。 2.2 碳化硅颗粒增强铝基复合材料 2.2.1 粉末冶金技术 粉末冶金技术又称固态金属扩散技术，

13、此方法是将固态金属粉末 和增强颗粒机械均匀混合， 在一定的温度和压力条件下制造成型。 粉 末冶金技术具有一些独特的特点， 如制造温度较低， 减轻了和增强颗 粒之间的界面反应， 减少了界面上硬质化合物的生成， 增强颗粒的体 积分数比较高，而且分布均匀。但粉末冶金技术也存在着一些弊端， 如之间的大小和形状受到一定限制，工艺程序多，制备周期长，成本 高。 美国著名的 DWA复合材料专业公司就用粉末冶金法制得了碳化 硅颗粒增强铝基复合材料自行车车架， 设备支撑架等产品， 并已达到 商品化。另外，美国 ARCO公司、英国 BP公司也在碳化硅颗粒增强铝 基复合材料方面取得了显著的成果 20 2.2.2 铸

14、造技术 铸造技术是目前制备金属基复合材料的主要方法， 主要有液态搅 拌法、半固态复合铸造法、挤压铸造法、真空压力渗透法、无压力渗 透法、铸造渗透法、超声波法、中间合金法、喷射分散法、离心铸造 法等多种工艺。 目前，人们使用较多的是挤压铸造法， 其具体方法是： 预先把碳化硅颗粒增强相用适当的粘接剂粘接， 制成预制块， 放入压 型，浇入精炼的铝基体金属溶液，然后立即加压，使熔融的铝基金属 溶液浸渗到预制块中， 凝固后就得到所需的碳化硅颗粒增强铝基复合 材料。这种工艺的优点是：工艺及设备简单，组织致密，无气孔，材 料质量稳定，已工业化生产。 丰田汽车公司曾用这种工艺制成了碳化 硅颗粒局部增强铝基复合

15、材料汽车发动机活塞 21 。 2.2.3 熔渗技术 熔渗技术是指金属液体与多孔性固体外表面相接触， 靠毛细管力 将金属液体吸引到固体内部。 熔渗技术又分为压力熔渗和无压熔渗两 种。 压力熔渗是预先把增强体用适当的粘结剂粘结， 做成相应形状的 预制件，放在金属压型内的适当位置，浇注金属液。并加压使金属液 掺入预制件间隙， 凝固后就得到所要求的金属基复合材料。 所加压力 可采用液体压力（挤压铸造）和气体压力两种。这种方法可排除对增 强物与金属液结合有重要影响的润湿性、 反应性、比重差等重要因素 的干扰作用。 在预制件制造得好以及熔渗时温度、 压力等参数控制得 当的情况下，可成功地制取满意的复合材料

16、 22 。 Laxide 公司提出了无压熔渗工艺 23 。该工艺使基体合金放在可 控气氛的加热炉中加热至基体合金液相线以上的温度， 在不加压的情 况下使合金熔体自发熔渗到颗粒层或预制块中。因在无压力作用下， 熔渗模具的选择容易。 但受熔渗温度、 环境气体种类及颗粒大小等因 素影响，使该法受到一定局限。 无压渗透法以其设备简单、 操作方便、 成本低廉等特点近年来得到了普遍应用。 3 结语 总体而言，国外对铝基复合材料的研究较早。近些年来，国内越 来越多的高校和研究所加入了铝基复合材料增强的研究行列， 并对该 复合材料的组织、 力学性能及其增强机制进行了较系统的研究， 并取 得了一定的研究成果。

17、但是，铝基复合材料的制备与应用还存在很多 问题，还有待进一步的研究和解决。 随着科学技术的不断向前发展， 材料科学与其他学科的联系也越 来越紧密。在以后的发展过程中，除了在传统上不断简化工艺流程、 降低成本等除外， 还应使用计算机分析和模型设计， 使材料科学转入 定量描述阶段， 建立金属基复合材料的数据库， 进行金属基复合材料 的计算机模拟、设计。此外，还需要引入的一个概念是生态环境复合 材料，重视金属基复合材料的研究、开发、生产和使用过程中存在的 污染问题和金属基复合材料的回收再利用问题， 使其具有满意的使用 性能和优良的环境协调性，实现人类的可持续发展。 参考文献 1 Hu H Q Met

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